功率MOSFET在電池管理充放電系統(tǒng)中的應(yīng)用

以下文章來源于PSD功率系統(tǒng)設(shè)計 ，作者Song Liu

功率MOSFET串聯(lián)在鋰離子電池組內(nèi)部和輸出負(fù)載之間

功率MOSFET需要在鋰離子電池組內(nèi)部和輸出負(fù)載之間串聯(lián)。同時，專用IC用于控制MOSFET的開啟和關(guān)閉，以管理電池的充放電，如圖1所示。在消費類電子系統(tǒng)中，如手機、筆記本電腦等，帶有控制IC、功率MOSFET和其他電子元件的電路系統(tǒng)稱為保護電路模塊PCM。

圖1：蓄電池保護板電路圖

在PCM中，一個功率MOSFET用于充電，另一個用于放電。功率MOSFET以兩種配置背靠背串聯(lián)連接。一種配置是兩個功率MOSFET漏極連接。在第二種配置中，連接兩個功率MOSFET源。此外，有兩種方法將功率MOSFET與電池串聯(lián)。一種方法是將其放置在電池的負(fù)極，稱為“接地端”或低壓側(cè)；另一種方法是將其放置在電池的正極端，稱為高壓側(cè)。兩種不同的功率MOSFET背靠背連接模式及其不同的放置方式各有優(yōu)缺點，對應(yīng)于不同的系統(tǒng)要求。

PCM需要低導(dǎo)通電阻MOSFET，因此通常使用N溝道功率MOSFET。由于驅(qū)動簡單靈活，一些應(yīng)用在正極端使用P溝道MOSFET。然而，P溝道MOSFET的導(dǎo)通電阻相對高于N溝道MOSFET，選擇也受到限制。

功率MOSFET背靠背連接

工作原理

兩個用于管理充電和放電的N溝道功率MOSFET放置在接地端，漏極背靠背連接，這是PCM的常見方案之一，如圖2所示。其中，Q1是用于電池放電的功率MOSFET，Q2是用于電池充電的功率MOSFET，B+是電池的正極，B-是電池的負(fù)極，P+是電池組的正極，P-是電池組的負(fù)極，VSS是電池保護管理IC的接地，即電池的負(fù)極，VSS和Q1的電源連接。在PCM板工作之前，Q1和Q2都關(guān)閉。

(1)充電

充電時，控制IC柵極向充電功率MOSFET（Q2）提供驅(qū)動信號CO，Q2柵極的驅(qū)動信號路徑為：外部充電電路的正端→ P+→B+→R1→VDD→CO→Q2源 →P-→外部充電電路的負(fù)極。當(dāng)Q2接通時，充電電流路徑為：P+→B+→B-→Q1內(nèi)部寄生二極管→Q2通道→P-。然后可以對電池充電，如圖2所示。

圖2：Q2接通時的充電回路

為了減少Q(mào)1的損耗，當(dāng)Q2開啟時，將控制IC的DO引腳拉高，以使放電功率MOSFET Q1開啟。由于Q1的RDS(ON)較低，其傳導(dǎo)損耗遠(yuǎn)低于寄生二極管，充電效率可以提高。當(dāng)Q2和Q1同時處于on狀態(tài)時，充電電流路徑為：P+?B+? B-?Q1通道?Q2通道?P-。

(2)放電

放電時，控制IC向放電功率MOSFET（Q1）提供柵極驅(qū)動信號DO，Q1的柵極驅(qū)動信號路徑為：VDD?DO（驅(qū)動器輸出）?Q1柵?Q1源?B-?VSS。

當(dāng)Q1為on時，放電電流路徑為：P→Q2內(nèi)部寄生二極管→Q1通道→B-→B+→P+。然后可以對電池進行放電，如圖3所示。

圖3：Q1開啟時的放電回路

為了減少Q(mào)2的損耗，當(dāng)Q1開啟時，控制IC向充電功率MOSFET Q2提供柵極驅(qū)動信號CO，從而開啟Q2。Q1和Q2同時處于開啟狀態(tài)。

功率MOSFET的性能要求

離子電池的容量從早期的600mAh、1000mAh，到現(xiàn)在已經(jīng)達到6000mAh、10000mAh。為了實現(xiàn)更快的充電速度和更短的充電時間，通常采用增加電流和大電流充電的快速充電技術(shù)。那么，大電流充電對電池組中的功率MOSFET提出了更高的技術(shù)要求。此外，生產(chǎn)線和使用過程中對大容量鋰離子電池有一些具體的技術(shù)要求。

功率密度高，功耗低，散熱良好

大容量鋰離子電池組設(shè)計的基本要求是盡可能提高電池的容量。因此，功率MOSFET需要更小的尺寸，在一定的尺寸限制下，如1.2mm*1.2mm，具有最小的導(dǎo)通電阻RDS(ON)。為了在較小的芯片尺寸中實現(xiàn)較低的RD（ON），設(shè)計主要從晶圓技術(shù)和封裝技術(shù)進行優(yōu)化。有必要提高MOSFET單元密度。

在PCM中，通過使用新的芯片級CSP封裝技術(shù)，完全消除了封裝導(dǎo)線電阻。

短路能力

大容量鋰離子電池在應(yīng)用中，特別是在極端條件下，如輸出負(fù)載短路，有非常大的電流通過電池。當(dāng)集成電路檢測到輸出過電流時，它將延遲一段時間以進行保護動作。在延遲時間內(nèi)，MOSFET的工作電流非常大，這要求MOSFET對大電流應(yīng)力具有魯棒性。因此，所有鋰離子電池都需要進行短路測試。

理論上，芯片尺寸越大，對短路電流的魯棒性越強。然而，隨著形狀尺寸變小的趨勢，性能將受到限制。因此，應(yīng)用電路設(shè)計需要牢記確保穩(wěn)健設(shè)計以抵抗大短路電流影響所需的要求。

雪崩穩(wěn)健性

當(dāng)電池組的輸出端短路且開關(guān)關(guān)閉時，MOSFET雪崩能力很重要。功率MOSFET的選擇應(yīng)包括由應(yīng)用條件確定的足夠雪崩能力。

印刷電路板和熱設(shè)計要點

在正常環(huán)境溫度下，MOSFET的溫度通常不超過65℃。PCM控制板通常與電池組裝在一起，PCB尺寸是一個限制因素，通常具有較高的熱阻。因此，在系統(tǒng)的熱設(shè)計中可能需要特殊考慮。電流路徑在電路板頂部到底部之間對稱，以保持電流平衡。最大化功率路徑的銅面積，并在MOSFET附近的銅焊盤上添加一些通孔進行散熱，是提高散熱能力和降低MOSFET溫升的良好設(shè)計技巧。

圖4：散熱器：孔徑12密耳，間距25密耳

所有這些因素對大容量鋰離子電池組中功率MOSFET的充放電管理提出了嚴(yán)格的技術(shù)設(shè)計挑戰(zhàn)。AOS為電池組應(yīng)用提供了廣泛的高功率密度MOSFET產(chǎn)品。AOS最新的AOCA33102和AOCR36330適用于具有超低RDS(ON)和新型芯片級CSP封裝的手機快速充電應(yīng)用，這有助于降低功率MOSFET的溫升并提高其可靠性。

作者Song Liu是Alpha and Omega Semiconductor分立產(chǎn)品高級應(yīng)用工程師；Neil Zhang是Alpha and Omega Semiconductor分立產(chǎn)品應(yīng)用工程師